CN101459269A

CN101459269A - 一种基于缺陷地结构的低通滤波器

Info

Publication number: CN101459269A
Application number: CNA2009100448356A
Authority: CN
Inventors: 王慧娜; 李国辉; 严军; 齐雪蕊; 陈欢
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2009-01-04
Filing date: 2009-01-04
Publication date: 2009-06-17

Abstract

本发明涉及一种基于缺陷地结构的低通滤波器。它包括介质基板、金属线、接地金属板和在接地金属板上蚀刻的缺陷地结构，缺陷地结构是由两个对称的扇形槽通过一个矩形连接槽相连接构成。本发明的低通滤波器实现了小型化，具有高频率选择性、低带内损耗以及平稳的带外衰减等良好性能。

Description

一种基于缺陷地结构的低通滤波器

技术领域

本发明涉及一种将DGS(缺陷地结构)应用于低通滤波器，属于无线通信技术领域。

背景技术

EBS(电子能带结构)和PBG(光子带隙结构)是目前公认的可以产生带隙特性的结构。目前国内外所提出的PBG结构多种多样，比如在介质基板穿孔，在介质基板中填充其他材料或金属等等。但是这些方式在机械加工上具有一定的难度，尤其对于目前微波电路的集成化发展来说，不能很好地相互融合；而且，在微波毫米波电路中，PBG结构由于电路模型复杂、尺寸过大，使其在结构紧凑的微波毫米波组件的应用中受到限制。

在光子带隙结构的研究基础上，1999年J.I.Park等人提出了缺陷地结构。它通过在微带线金属接地板上蚀刻出周期或者非周期的缺陷图案来实现，改变电路衬底材料有效介电常数的分布，从而改变微带线的分布电感和分布电容，使得具有DGS结构的微带线呈现出带隙特性和慢波效应。相对于PBG结构来说，DGS结构尺寸更小，故能大大减小介质板尺寸、降低介质损耗和经济成本、便于电路集成化；无需建立周期结构，单元的等效电路易于提取，便于快速分析。

因此，从DGS结构被提出以来，基于DGS结构的微波器件大量涌现并广泛应用，成为在接地金属板上进行技术创新的主流方案。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种用基于缺陷地结构的低通滤波器来实现低通滤波器的小型化，具有高频率选择性、低带内损耗以及平稳的带外衰减等良好性能。

本发明的主要构思是：在目前无线通信技术集成化、小型化的强烈需求下，在保证不增加电路额外面积的情况下，对接地金属板进行研究，依据典型的传统哑铃型缺陷地结构，对接地金属板上蚀刻的缺陷地结构进行创新，并将其引入到低通滤波器的设计中，给出了一种非常有效的小型化低通滤波器。

本发明的小型化低通滤波器包括：

(1)采用高介电常数材料：介质基板选用介电常数为ε_r＝20，厚度h＝1.2mm的陶瓷材料基板；

(2)结合缺陷地结构进行滤波器设计；

(3)对传统缺陷地结构形状进行改进创新，提出更加小型化的新型缺陷地结构

本发明采用的缺陷地结构由两个扇形和一个矩形连接槽组成，该结构与传统哑铃型DGS结构的特性相似，可以通过电路理论等效为一并联谐振电路，其等效电容和等效电感分别如下式所示：

C_{p} = \frac{{5 f}_{c}}{π ({f_{0}}^{2} - {f_{c}}^{2})} pF

L_{p} = \frac{250}{C_{p} {({πf}_{0})}^{2}} nH

其中，f_c是3dB截止频率，f_o是谐振频率，其单位都是GHz。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种基于缺陷地结构的低通滤波器，包括介质基板、微带线、接地金属板和在接地金属板上蚀刻的缺陷地结构，其特征在于所述缺陷地结构是由两个对称的扇形槽通过一个矩形连接槽相连接构成。

上述介质基板为介电常数ε_r＝20的高介电常数陶瓷介质板。

上述缺陷地结构共有n个，n为自然数1、2、3……。它们相互并联而共用一根微带线，每个缺陷地结构旁有与所述微带线连接的开路支节线。

上述缺陷地结构共有3个，即n＝3，其尺寸为：中间两个支节线宽度w1＝3mm，而长度l1＝1.9mm；两端两个支节线宽度w2＝0.4mm，而长度l2＝2.9mm；扇形槽半径r＝3mm，矩形连接槽长度s＝2.06mm，相邻缺陷地结构间距离d＝6.5mm，扇形槽宽度lf＝3.95mm，所述微带线为50Ω微带馈线，其宽度为w＝0.5mm，扇形槽的中心角为120度。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

本发明将改进的缺陷地结构应用于低通滤波器，实现低通滤波器的小型化，具有高频率选择性、低带内损耗以及平稳的带外衰减等良好性能。

附图说明

图1是改进的哑铃型缺陷地结构图。

图2是传统的哑铃型缺陷地结构图。

图3是改进的哑铃型缺陷地结构的等效电路图(Z0＝50Ω)。

图4是改进的哑铃型缺陷地结构的带隙特性曲线图。

图5是三DGS结构单元低通滤波器结构图。

图6是三DGS结构单元低通滤波器等效电路图。

图7是所设计低通滤波器的仿真结果图。

在图1、2中，虚线部分所示为在接地金属板上蚀刻的缺陷地结构。

在图5中，黑色部分为介质板上方的金属微带线；虚线部分为接地金属板上蚀刻的缺陷地结构。

在图6中，DGS结构等效为L_r、C_r并联谐振电路；C₁和C₂分别为两开路支节线的等效电容；L₁、L₂和L₃分别是各短路支节线对应的等效电感；C_c为下层DGS结构与上层微带线之间的耦合电容。

具体实施方式

本发明的一个优选实施例结合附图详述如下：

本实施例中的DGS结构单元图如附图1所示，它包含两个扇形槽(2)和一个矩形的连接槽(3)。常规哑铃型DGS结构图如附图2所示。选用的陶瓷介质基板的相对介电常数ε_r＝20，厚度h＝1.2mm，50Ω标准微带线的导带宽度为w＝0.5mm。

附图3示出本实施例的DGS结构的等效电路图。

本实施例中的DGS结构的带隙特性如附图4所示。由图可以看出，该结构具有很好的带隙特性和频率选择性。

基于上述DGS结构，本实施例是一个有三个DGS结构(5)，每个DGS结构(5)旁有开路支节线(6、7、8、9)与微带线(4)连接、截止频率f_c＝2.92GHz的小型化低通滤波器。本滤波器结构和它的等效电路分别如附图5和6。按照谐振频率f₀等于低通滤波器3dB截止频率f_c的原则来基本确定DGS结构的尺寸。通过利用三维电磁场仿真软件Ansoft HFSS进行优化、调试，来最终确定具体的尺寸。

经过计算、仿真和优化，最终确定该低通滤波器的具体尺寸如下：

中间两个支节线(7、8)的宽度w1＝3mm，而长度l1＝1.9mm

两端两个支节线(6、9)的宽度w2＝0.4mm，而长度l2＝2.9mm

扇形槽半径r＝3mm，矩形连接槽长度s＝2.06mm

相邻DGS间距离d＝6.5mm，扇形槽宽度lf＝3.95mm

50Ω微带馈线(4)的宽度为w＝0.5mm

扇形槽的中心角为120度

附图7显示了本实施例低通滤波器的仿真结果，仿真结果曲线能够很好的反映出本发明的优越性。仿真结果表明该发明具有以下优点：

1)在通带范围内，带内波纹小于0.01dB，20dB阻带频率点为3.4GHz

2)频率选择性高达35.4dB/GHz

3)在绝大部分带内频段，回波损耗都很小，在27dB以下

4)实现了高平稳的带外抑制。

Claims

1.一种基于缺陷地结构的低通滤波器，包括介质基板(1)、微带线(4)、接地金属板和在接地金属板上蚀刻的缺陷地结构(5)，其特征在于所述缺陷地结构(5)是由两个对称的扇形槽(2)通过一个矩形连接槽(3)相连接构成。

2.根据权利要求1所述的基于缺陷地结构的低通滤波器，其特征在于所述介质基板(1)为介电常数ε_r＝20的高介电常数陶瓷介质板。

3.根据权利要求1所述的基于缺陷地结构的低通滤波器，其特征在于所述缺陷地结构(5)共有n个，n为自然数1、2、3……。它们相互并联而共用一根微带线(4)，每个缺陷地结构(5)旁有与所述微带线(4)连接的开路支节线(6、7、8、9)。

4.根据权利要求3所述的基于缺陷地结构的低通滤波器，其特征在于所述缺陷地结构(5)共有3个，即n＝3，其尺寸为：中间两个支节线宽度w1＝3mm，而长度11＝1.9mm；两端两个支节线宽度w2＝0.4mm，而长度12＝2.9mm；扇形槽半径r＝3mm，矩形连接槽长度s＝2.06mm，相邻缺陷地结构间距离d＝6.5mm，扇形槽宽度1f＝3.95mm，所述微带线(4)为50Ω微带馈线，其宽度为w＝0.5mm，扇形槽的中心角为120度。